Producent i konsument – przykład użycia słowa kluczowego lock

Opublikowano 17 lipca 2009 Pozostaw komentarz (0) Idź do komentarzy

Niejednokrotnie podczas pisania aplikacji napotyka się na sytuację gdy jedna metoda produkuje pewne dane, inna natomiast w pewien sposób je konsumuje. Czasem dobrym pomysłem jest, w przypadku gdy produkowane dane są w pewien sposób podzielne na części, wykonywać produkcję i konsumpcję w równoległych wątkach. Tutaj pojawia się istotny problem z zagadnienia wielowątkowości – synchronizacja. Oba (wszystkie) wątki współdzielące dany zasób muszą z niego korzystać w pewien ustalony sposób, tak aby w danej chwili korzystał z niego tylko jeden z wątków. W uproszczeniu, zapewnienie tego stanu nazywamy synchronizacją. Problem ten jest na tyle niebanalny i powszechny, że platforma .NET wspomaga synchronizację za pomocą wbudowanych mechanizmów. Jednym z nich jest słowo kluczowe lock. Użycie słowa kluczowego lock wygląda tak:

1
2
3
4

 lock(somethingSharedToLock)
{
     // operations on the locked object
}

Jak widać składnia jest bardzo prosta, ale co tak właściwie daje nam lock? Użycie słowa kluczowego lock gwarantuje nam, iż żaden inny wątek nie będzie ingerował w zablokowany obiekt podczas wykonywania instrukcji z nawiasu klamrowego. Natomiast jeśli obiekt jest zablokowany przez inny wątek, to kolejny lock będzie cierpliwie czekał na zwolnienie obiektu i dopiero wtedy go zablokuje. Pięknie, prawda? :) Oczywiście lock, jak wszystko – ma swoje wady. Częste i nierozważne lockowanie może doprowadzić do tzw. zakleszczenia (ang. deadlock). Starczy tej teorii, przejdźmy do przykładu (przykład z całą pewnością nie pokazuje best practices tworzenia kodu, ale chodziło mi o maksymalne uproszczenie przykładu).

Stwórzmy sobie prostą klasę producenta:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31

class Producer
{
public bool IsFinished
{
    get;
    set;
}
public List<int> List
{
    get;
    set;
}
public Producer()
{
    List = new List<int>();
    IsFinished = false;
}
public void Produce()
{
    Random random = new Random();
 
    for (int i = 0; i < 20; i++)
    {
        List.Add(random.Next(0, 20));
        Console.WriteLine("Producer[{0}]={1}", i, List[i]);
        Thread.Sleep(500);
    }
    IsFinished = true;
    Console.WriteLine("Producer has finished his work");
}
}

Klasa ta, jak widać, w konstruktorze przyjmuję listę, a następnie po wywołaniu Produce() wpisuje do tej listy losowe liczby całkowite z przedziału <0,20) wypisując je przy okazji. Klasa posiada pole które poinformuje nas, że praca została zakończona. Usypianie w metodzie produkującej umożliwi nam zaobserwowanie pewnej ciekawej rzeczy, ale o tym dalej.

Klasa konsumenta:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28

class Consument
{
    private Producer producer;
    public Consument(Producer producer)
    {
        this.producer = producer;
    }
    public void Consume()
    {
        int currentElement = 0;
        int elementCount = 0;
 
        while (true)
        {
              elementCount = producer.List.Count;
 
              if (producer.List.Count > currentElement)
              {
                   producer.List[currentElement] += 2;
                   Console.WriteLine("Consument[{0}]={1}", currentElement, producer.List[currentElement]);
                   currentElement++;
              }
              if (producer.List.Count == currentElement && producer.IsFinished)
                   break;
         }
         Console.WriteLine("Consument has finished his work");
    }
}

Konsument, w konstruktorze przyjmuje producenta, a po wywołaniu Consume(), o ile pojawiło się coś nowego zwiększa wartość każdego elementu o 2, a następnie go wypisuje. Metoda kończy swoje działanie w momencie, gdy Producent da o tym znać i wszystkie elementy zostaną zmienione.

Pozostaje nam odpalić produkcje i konsumpcje w oddzielnych wątkach:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

private static void Main(string[] args)
{
     Producer producer = new Producer();
     Consument consument = new Consument(producer);
 
     Thread producerThread = new Thread(new ThreadStart(producer.Produce));
     Thread consumentThread = new Thread(new ThreadStart(consument.Consume));
 
     producerThread.Start();
     consumentThread.Start();
     producerThread.Join();
     consumentThread.Join();
}

Wynik działania programu (przykładowy!!):

Producer[0]=0
Consument[0]=2
Producer[1]=4
Consument[1]=4
Producer[2]=17
Consument[2]=17
Producer[3]=8
Consument[3]=8
Producer[4]=0
Consument[4]=2
Producer[5]=16
Consument[5]=16
Producer[6]=6
Consument[6]=6
Producer[7]=13
Consument[7]=13
Producer[8]=17
Consument[8]=19
Producer[9]=9
Consument[9]=11
Producer[10]=15
Consument[10]=17
Producer[11]=14
Consument[11]=14
Producer[12]=11
Consument[12]=13
Producer[13]=3
Consument[13]=5
Producer[14]=15
Consument[14]=15
Producer[15]=13
Consument[15]=13
Producer[16]=16
Consument[16]=18
Producer[17]=5
Consument[17]=7
Producer[18]=2
Consument[18]=2
Producer[19]=14
Consument[19]=16
Producer has finished his work
Consument has finished his work

Ups! Widzimy, że w wielu przypadkach (1, 2, 3, 5, 6, 7, 11, 14, 15, 18 – czyli w połowie wszystkich) wartość producenta nie została zmieniona, tak jakbyśmy chcieli. Czemu się tak stało? Otóż produkcja kolejnych elementów trwa dłużej niż konsumpcja (poprzez wspomniane wcześniej Thread.Sleep(500)) co powoduje iż w pewnych momentach dana jest „jeszcze” tworzona, a próbuje już być skonsumowana, co powoduje iż proces konsumpcji (dodanie do wartości 2) zostaje pominięte. Uniknięcie tej katastrofy jest możliwe dzięki wspomnianemu lockowi. Wystarczy napisać:

1
2
3
4
5
6

lock (((ICollection)List).SyncRoot)
{
    List.Add(random.Next(0, 20));
    Console.WriteLine("Producer[{0}]={1}", i, List[i]);
    Thread.Sleep(500);
}

oraz:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

lock (((ICollection)producer.List).SyncRoot)
{
    elementCount = producer.List.Count;
 
    if (producer.List.Count > currentElement)
    {
        producer.List[currentElement] += 2;
        Console.WriteLine("Consument[{0}]={1}", currentElement, producer.List[currentElement]);
        currentElement++;
    }
    if (producer.List.Count == currentElement && producer.IsFinished)
        break;
}

To zapewni nam prawidłowe działanie kodu (jak nie wierzycie – sprawdźcie sami :)). A co tak właściwie się stało? Kolekcja w momencie produkowania jest na chwilę blokowana, a więc konsumpcja jest wtedy wstrzymana, gdy produkcja się skończy, konsumpcja zabiera kolekcję dla siebie. Dzięki temu działanie jest zgrabnie zsynchronizowane. Dla kolekcji, w celu synchronizacji należy używać właściwości SyncRoot która jest wymagana przez interfejs ICollection. Wszystkie inne obiekty możemy lockować w sposób bezpośredni (lock(someObject)) chyba, że coś (dokumentacja) podpowiada nam inaczej ;)

To tyle w tej kwestii, dla zainteresowanych polecam poczytać Thread Synchronization oraz How to: Synchronize a Producer and a Consumer Thread.

Pełny listing:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
 
namespace ProducentConsumerExample
{
    class Example
    {
        private static void Main(string[] args)
        {
            Producer producer = new Producer();
            Consument consument = new Consument(producer);
 
            Thread producerThread = new Thread(new ThreadStart(producer.Produce));
            Thread consumentThread = new Thread(new ThreadStart(consument.Consume));
 
            producerThread.Start();
            consumentThread.Start();
 
            producerThread.Join();
            consumentThread.Join();
        }
    }
 
    class Producer
    {
        public bool IsFinished
        {
            get;
            set;
        }
 
        public List<int> List
        {
            get;
            set;
        }
 
        public Producer()
        {
            List = new List<int>();
            IsFinished = false;
        }
 
        public void Produce()
        {
            Random random = new Random();
 
            for (int i = 0; i < 20; i++)
            {
                lock (((ICollection)List).SyncRoot)
                {
                    List.Add(random.Next(0, 20));
                    Console.WriteLine("Producer[{0}]={1}", i, List[i]);
                    Thread.Sleep(500);
                }
            }
 
            IsFinished = true;
 
            Console.WriteLine("Producer has finished his work");
        }
    }
 
    class Consument
    {
        private Producer producer;
 
        public Consument(Producer producer)
        {
            this.producer = producer;
        }
 
        public void Consume()
        {
            int currentElement = 0;
            int elementCount = 0;
 
            while (true)
            {
                lock (((ICollection)producer.List).SyncRoot)
                {
                    elementCount = producer.List.Count;
 
                    if (producer.List.Count > currentElement)
                    {
                        producer.List[currentElement] += 2;
                        Console.WriteLine("Consument[{0}]={1}", currentElement, producer.List[currentElement]);
                        currentElement++;
                    }
                    if (producer.List.Count == currentElement && producer.IsFinished)
                        break;
                }
            }
 
            Console.WriteLine("Consument has finished his work");
        }
    }
}
Programowanie, ,
Pozostaw komentarz

0 Komentarze

Odpowiedz


[ Ctrl + Enter ]